Суперкомпьютерные симуляции раскрыли тайну космических магнитных полей

Ученые из Университета Висконсина в Мэдисоне, возможно, раскрыли механизм возникновения крупномасштабных магнитных полей во Вселенной. Результаты их исследования, опубликованные в журнале Nature, основаны на сверхдетальных суперкомпьютерных симуляциях.

Магнитные поля присутствуют повсюду в космосе — от планет и звезд до целых галактик. Однако, если малые поля хаотичны, то крупные структуры удивительно упорядочены. Ученые десятилетиями не могли объяснить, как хаос порождает такой порядок.

В новом исследовании команда под руководством Биндеша Трипати (ныне постдокторант Колумбийского университета) использовала симуляции плазменных потоков. Результаты показали, что крупные магнитные поля могут возникать, когда турбулентная плазма формирует организованные струйные течения.

«Магнитные поля в космосе крупномасштабны и упорядочены, но наши представления о том, как они генерируются, говорят, что они происходят из турбулентного движения. Учитывая, что турбулентность известна как разрушительный фактор, остается вопрос: как она создает конструктивное крупномасштабное поле?» — поясняет Трипати.

Ключевым отличием от предыдущих работ стало два нововведения. Во-первых, ученые добавили в симуляции постоянно обновляемый градиент скорости — разницу в скорости движения разных частей системы. Такие градиенты возникают, например, внутри Солнца или при слиянии нейтронных звезд. Во-вторых, исследователи провели, возможно, самую детальную на сегодняшний день симуляцию, используя 137 миллиардов точек сетки в трехмерном пространстве. Всего было выполнено около 90 симуляций, сгенерировавших 0,25 петабайта данных и потребовавших почти 100 миллионов часов процессорного времени на суперкомпьютере Anvil в Университете Пердью.

Когда симуляции повторялись без поддержания крупномасштабного градиента скорости, организованные магнитные структуры не формировались, и система оставалась хаотичной.

«Так что это действительно главный ключ: наличие устойчивого крупномасштабного градиента скорости», — подчеркивает Трипати.

Профессор физики UW-Madison и старший автор исследования Пол Терри отмечает, что работа потенциально решает давнюю проблему: «Генерация магнитного поля с помощью динамо интенсивно изучалась в течение 70 лет, с разочаровывающим результатом, что генерируемые поля почти всегда оказываются мелкомасштабными и сильно неупорядоченными, в отличие от наблюдений. Эта работа, таким образом, потенциально решает давнюю проблему».

Хотя новую теорию невозможно напрямую проверить в далеких космических условиях, более ранние лабораторные эксперименты, похоже, подтверждают выводы. В 2012 году исследователи из Висконсинской лаборатории физики плазмы наблюдали поведение магнитного поля, которое не могли объяснить существующие теории. Новая модель Трипати и его коллег лучше согласуется с теми озадачивающими результатами.

Открытие может иметь важное значение для понимания формирования черных дыр, слияния нейтронных звезд и даже прогнозирования космической погоды, включая выбросы газа с Солнца в сторону Земли.